Kosmologi adalah studi yang menyatukan ilmu alam, terutama astronomi dan fisika, dalam upaya untuk memahami alam semesta fisik sebagai satu kesatuan. Secara khusus, kosmologi berurusan dengan struktur skala besar dan evolusi alam semesta. Kata kosmologi sendiri berasal dari bahasa Yunani kosmos yang berarti dunia. Ilmuwan atau ahli kosmologi disebut sebagai kosmolog atau cosmologist (dalam bahasa Inggris).
Kosmolog adalah fisikawan teoretis yang berspesialisasi dalam pertimbangan-pertimbangan kosmik. Alat teoritis utama mereka adalah teori relativitas umum, dan matematika yang berhubungan dengan diferensial parsial dan geometri diferensial. Mereka juga menggunakan komputer dan bahkan super komputer yang dapat membantu mereka untuk mempelajari model dan evolusi alam semesta, serta untuk memecahkan persamaan (rumus) secara numerik. Para astronom memasok kosmolog dengan data eksperimental yang digunakan para kosmolog untuk menguji setiap teori mereka dan untuk merumuskan teori baru.
Teka-teki para kosmolog berputar pada konsep-konsep beracun seperti gravitasi kuantum, teori string, lubang hitam, materi gelap atau dark matter, dan energi gelap atau dark energi. Mereka juga berusaha menjawab pertanyaan-pertanyaan seperti; apakah hanya ada satu alam semesta? atau sebaliknya ada banyak alam semesta (multiverse)? berapa ukuran alam semesta yang kita tempati? berapa usianya? bagaimana strukturnya? bagaimana sejarah dan nasibnya; apakah alam semesta mengembang selamanya, atau runtuh kembali dengan sendirinya? bisa dikatakan bahwa objek studi dan observasi kosmologi mencakup keseluruhan alam semesta mulai dari kelahiran hingga kematiannya.
Salah satu alat teoretis yang paling penting dari kosmologi modern adalah prinsip kosmologi. Prinsip kosmologi mengatakan bahwa struktur skala besar alam semesta adalah isotropik dan homogen. Artinya bahwa pada skala besar, distribusi massa adalah sama di semua bagian alam semesta, dan alam semesta terlihat sama di semua arah pengamatan. Bagi seorang pengamat di titik manapun di alam semesta yang memandang ke langit, akan melihat langit yang sama dengan yang dipandang oleh pengamat di bumi. Dengan kata lain, bumi tidak memiliki posisi istimewa di alam semesta, dan apa yang diamati dari bumi dapat dianggap mewakili kosmos secara keseluruhan.
Prinsip kosmologi memiliki beberapa implikasi penting. Misalnya, konsep homogenitas berimplikasi pada alam semesta yang tidak memiliki tepi, dan konsep isotropik berimplikasi pada alam semesta yang tidak memiliki pusat. Kedua hal ini dikonfirmasi oleh pengamatan bahwa semua galaksi di alam semesta terukur menjauh dari galaksi kita, dan semua galaksi tampak bergerak relatif menjauh satu sama lain di alam semesta yang mengembang.
Alam semesta mengembang ditemukan pertama kali oleh Astronom berkebangsaan Amerika Serikat, Edwin Hubble. Dalam pengamatannya, Hubble menemukan bahwa jarak antara kita (bumi) dan galaksi-galaksi terluar terus bertambah, yang berarti bahwa alam semesta mengembang atau mengalami perluasan. Karena alam semesta terus mengembang, ilmuwan kemudian berpikir bahwa jika arah panah waktu dibalik tentunya jauh di masa lampau jarak semua materi atau objek di alam semesta lebih dekat dan rapat satu sama lain jika dibandingkan dengan keadaan yang sekarang. Skenario evolusi di sepanjang garis waktu ini membuat alam semesta seharusnya memulai hidupnya dengan sebuah dentuman dari suatu kondisi yang sangat panas dan sangat padat (disebut big bang), lalu mengembang dan mendingin sejak saat itu.
Bersama rekannya sesama astronom Amerika Serikat bernama Milton Humason, Hubble kemudian merumuskan sebuah hukum fisika yang menyatakan bahwa pergeseran spektrum merah yang datang dari galaksi jauh sebanding dengan jaraknya. Hukum ini disebut dengan hukum Hubble. Dengan menggunakan hukum Hubble usia alam semesta dapat dihitung. Waktu di mana semua galaksi atau semua objek materi yang ada di alam semesta ini berkumpul pada satu titik ruang-waktu adalah kira-kira 13,8 milyar tahun yang lalu. Pada saat itu, segala sesuatu di alam semesta, baik materi, radiasi, materi gelap, energi gelap dan bahkan ruang dan waktu itu sendiri terkompres dalam satu titik tunggal yang disebut singularitas.
Fakta alam semesta mengembang menawarkan dua kemungkinan, yaitu alam semesta akan mengembang selamanya, atau akan tiba saatnya berhenti mengembang dan membalikan arah ekspansinya dan runtuh ke dalam dirinya sendiri.Â
Kenyataan bahwa alam semesta mengembang, sedangkan di sisi lain gravitasi bersifat tarik menarik, maka besarnya gravitasi yang dimiliki oleh semua galaksi dapat bertindak sebagai gaya 'rem' terhadap laju perluasan alam semesta, sehingga proses ekspansinya dapat berkurang. Hal yang terjadi kemudian mungkin bergantung pada jumlah massa di alam semesta.
Jika massa total dari semua galaksi yang ada di alam semesta cukup besar, maka akan memungkinkan gaya gravitasinya memperlambat laju perluasan alam semesta secara terus menerus sampai alam semesta berhenti mengembang. Setelah perluasan alam semesta terhenti, maka gaya gravitasi dari semua objek yang menyusun alam semesta akan menyebabkan mereka saling tarik menarik satu sama lain sehingga alam semesta akan mengalami kontraksi.
